Fisica. Electricidad y magnetismo. 9 Ed. Raymond A. Serway y Jonh W. Jewett Jr.
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UNIVERSIDAD SANTO TOMÁSVICERRECTORÍA GENERAL DE UNIVERSIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍAINGENIERÍA INFORMÁTICA
FISICA ELECTRICIDAD Y MAGNETISMOCódigo SAC 16877
GLORIA OSORIO RINCÓN Código: 76063
Medellín, septiembre 22 de 2012
~ 1 ~
INTRODUCCIÓN
En la elaboración de éste trabajo se ilustra la relación entre ciencia y tecnología: el
electromagnetismo, con ejercicios se muestra la dependencia entre el
conocimiento científico y las aplicaciones tecnológicas de la actualidad.
El caso del electromagnetismo es notable, entre otras cosas, por el hecho de que
una vez llevados a cabo los descubrimientos científicos tuvieron inmediata
aplicación práctica y viceversa, las aplicaciones prácticas fomentaron la
investigación científica para resolver diferentes problemas, lo cual a su vez abrió
nuevos horizontes científicos.
~ 2 ~
OBJETIVOS
Conocer los conceptos básicos del electromagnetismo, adquiriendo
destrezas en el uso y manejo de dispositivos eléctricos, tan necesarios en
la vida profesional.
Conocer la relación entre fenómenos magnéticos y eléctricos.
Conocer diferentes sistemas de generación de corriente eléctrica.
~ 3 ~
1. Responder ampliamente:
2.1 ¿QUÉ ES ELECTROMAGNETISMO Y CUÁL ES SU UTILIDAD?
El electromagnetismo consolida los fenómenos eléctricos y magnéticos
en una sola teoría, es una rama de la física cuyos fundamentos fueron
razonados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo
completo por James Clerk Maxwell.
El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en
los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento,
usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las
sustancias sólidas, líquidas y gaseosas; considerado como una de las
cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido.
Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número
muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las
dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos
atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica
cuántica. (Feynman, 1974)
La relación entre electricidad y magnetismo dio lugar, a útiles e
importantes aplicaciones tecnológicas importantes como el telégrafo,
con el que el hombre pudo comunicarse por medios eléctricos, y a las
máquinas eléctricas, o sea, motores eléctricos y generadores de
~ 4 ~
electricidad. De esta forma, el hombre tuvo a su disposición fuentes de
corriente eléctrica de gran intensidad, hecho que cambió drásticamente
la vida, dando lugar a una revolución en la forma de vida de la
humanidad, cuyas consecuencias fueron la iluminación eléctrica y el
teléfono, entre otras.
Otra novedad importante que se dio en el desarrollo de estas
aplicaciones de la electricidad y el magnetismo fue la creación de los
primeros laboratorios industriales, que desempeñaron un papel
primordial en los subsiguientes avances.
James Glerk Maxwell realizó una gran síntesis teórica de los trabajos de
Ampére y faraday sobre la electricidad y el magnetismo, lo que lo llevó
al descubrimiento de la luz era de origen eléctrico y magnético. Además,
como consecuencia de la teoría que desarrolló predijo la existencia de
las ondas electromagnéticas. También hay resaltar que la teoría
electromagnética de Maxwell sirvió para el futuro desarrollo de la teoría
de la relatividad de Einstein.
Años después de que Maxwell hiciera la predicción de las ondas
electromagnéticas en forma teórica, Hertz llevó a cabo un notable
experimento, que lo llevó a indagar si en la naturaleza efectivamente
~ 5 ~
existen ondas electromagnéticas. Su trabajo verificó en forma brillante
las predicciones de Maxwell.
Después de los experimentos de Hertz no quedó ya ninguna duda,
desde el punto de vista conceptual, acerca de la realidad física de los
campos, idea que Faraday matemática. Esta idea ha sido de crucial
importancia en la física posterior, tanto para la relatividad de Einstein
como par las teorías modernas de las partículas elementales.
Otras consecuencias de los trabajos de Maxwell y Hertz fue el inicio de
las comunicaciones inalámbricas.
A principios del presente siglo, los trabajos de Marconi solamente había
dado por resultado el telégrafo inalámbrico. La necesidad de desarrollar
la radiotelefonía precipitó el inicio de la electrónica moderna. De hecho,
esta rama del electromagnetismo consolidó el importante papel de los
laboratorios industriales, la radio, que dominaría la vida humana durante
varias décadas, y posteriormente la televisión, que tanta repercusión ha
tenido.
La posibilidad práctica de construir pilas voltaicas produjo una revolución
en el estudio de la electricidad. Hemos de mencionar que en muchos
laboratorios era muy poco factible construir las máquinas de electricidad
por fricción, ya que eran bastante caras; sin embargo, las pilas eran
relativamente baratas. Permitieron el avance de la ciencia química ya
~ 6 ~
que estaban al alcance de muchos laboratorios; de otra manera no se
hubieran podido realizar muchas investigaciones científicas. Gran parte
de los primeros descubrimientos electroquímicos fueron hechos
precisamente con pilas voltaicas. Poco después de haber recibido una
carta de Volta en la que explicaba cómo construir una pila, William
Nicholson (1.753 – 1.825) y Anthony Carlisle (1.768 – 1.840)
construyeron en Londres uno de estos dispositivos, y con el fin de
conseguir una mejor conexión eléctrica, conectaron cada una de las
terminales de la pila a un recipiente con agua. Se dieron cuenta de que
en una de las terminales aparecía hidrógeno y en la otra, oxígeno. Fue
así como descubrieron el fenómeno de la electrólisis, en el que, por
medio de una corriente eléctrica, se separan los átomos que componen
la molécula del agua. Humphry Davi (1.778 – 1.829), también en
Inglaterra, descompuso por medio de la electrólisis otras sustancias, y
así descubrió los metales sodio y potasio al descomponer
electroquímicamente diferentes sales minerales, como la potasa
cáustica, la soda fundida, etc. También obtuvo electroquímicamente los
elementos bario, calcio, magnesio y estroncio. Poco después Faraday
descubrió, también con las pilas voltaicas, las leyes de la electrólisis.
En la actualidad el uso de el electromagnetismo es muy común en los
electroimanes que pueden ser de diferentes tamaños y formas según el
uso al que se destinen. Los más pequeños se emplean, por ejemplo,
~ 7 ~
para construir timbres de aviso o alarma, relés para diferentes
funciones, interruptores automáticos de corriente, altavoces, cabezales
de grabadoras de audio y vídeo, cabezales de lectura-escritura de
disquetes, etc. Los de mayor tamaño se emplean en grúas para levantar
metales o chatarra.
En Alemania y Japón existen trenes que funcionan por levitación
magnética llamados “Maglev”. Esos trenes emplean poderosos
electroimanes que les permiten levantarse o “levitar” por encima de los
rieles, por lo que llegan a desarrollar velocidades de unos 500
kilómetros por hora (aproximadamente 300 millas por hora) pues al no
tener casi contacto directo el cuerpo del tren con los rieles, no existe
prácticamente pérdidas de energía por fricción.
El electromagnetismo encuentra también aplicación en los
transformadores de corriente eléctrica para elevar o disminuir la tensión
o voltaje que requieren diferentes los dispositivos eléctricos que
empleamos diariamente, tanto en los centros de trabajo como en el
hogar. (Marcelo Alonso, 1976)
~ 8 ~
2.2 ¿CÓMO SE CREA UN CAMPO MAGNÉTICO QUE NO SEA
GENERADO POR UN IMÁN?
2.2.1 Campo creado por una partícula cargada
Desde la experiencia de Öersted ya
sabemos que las corrientes
eléctricas producen campos
magnéticos, puesto que una
corriente eléctrica afecta a la brújula.
La corriente eléctrica más pequeña que podemos imaginar es una
simple partícula cargada. Generando un campo magnético creado por
una partícula en movimiento.
2.2.2 Campo creado por una corriente rectilínea
Una corriente eléctrica
rectilínea de longitud
indefinida crea un campo
magnético a su alrededor,
realizando el campo
magnético de un conductor sobre otro.
~ 9 ~
Una corriente rectilínea o una carga en movimiento crean a su alrededor
líneas de fuerza magnéticas como las dadas en la figura.
2.2.3 Campo creado por una bobina
Se tiene un circuito con una bobina o solenoide y una brújula en sus
proximidades. Cuando cerramos el circuito la bobina se porta como un
electroimán, desviando la brújula hacia uno de sus polos.
~ 10 ~
2.3 ¿CÓMO ES EL COMPORTAMIENTO DE ESTE CAMPO?
El comportamiento de los campos magnéticos se debe al movimiento de
cargas, como ocurre cuando una corriente fluye en un circuito que de
acuerdo con la forma (de tal circuito) se creará un campo en una
determinada dirección, por ejemplo el campo que se genera en un
alambre (infinito), en este caso la dirección del campo estará dada por la
ley de la mano derecha, que para este caso, el índice indicará la
dirección de la corriente y los demás dedos indicarán el sentido del
campo magnético, el cual es circular alrededor del alambre.
Cuando la corriente fluye por un alambre en forma de espiral
(circular), la dirección del campo será perpendicular al plano que
forma el espiral.
~ 11 ~
Cuando la corriente fluye por una bobina o solenoide (arreglo de espiras,
una a continuación de la otra), la dirección del campo es paralelo al eje en
el cual se forma la bobina.
~ 12 ~
2. Explique el funcionamiento básico del motor eléctrico tenga en cuenta
la relación electricidad y magnetismo.
El funcionamiento básico del motor eléctrico se relaciona con una bobina
por la que pasa corriente la se porta como un imán, si esta bobina se
encuentra en un campo magnético, tenderá a moverse como un imán
cualquiera. Esta propiedad se aprovecha para crear motores eléctricos
que pueden mover lavadoras, lavaplatos o juguetes.
En la imagen vemos un motor eléctrico por dentro: La parte exterior, estátor,
tiene un electroimán, con el fin de hacer girar el rotor. Para comprenderlo,
fijémonos en el dibujo de abajo.
Vemos en amarillo, azul y rojo a las bobinas del estátor. Por ellas pasa
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corriente alterna en diferente fase, como se ilustra en la parte inferior de la
imagen.
Cuando la corriente alterna roja está en un máximo (1), el campo
magnético apunta hacia abajo (en ese momento los campos de las otras
dos se contrarrestan). En el punto 2 es la bobina azul la que impone la
dirección del campo y en el momento 3 es la bobina amarilla.
De esta forma, la bobina del inducido, que busca alinearse con el campo
magnético, debe girar constantemente.
Hay otros motores eléctricos con principios diferentes. En el motor
eléctrico lineal, se busca que la fuerza magnética produzca un
desplazamiento en línea recta, en vez de un giro. En el tren de la figura
hay distribuidos por la vía imanes situados entre los raíles que repelen los
que lleva el tren. En este caso, la repulsión magnética es la que causa el
movimiento.
Hay también motores eléctricos parecidos al de corriente alterna, pero
que funcionan con corriente continua. En estos casos, hay un sistema de
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contactos (bornes) que cambian de polaridad a medida que gira el
inductor, aunque se mantenga siempre el mismo sentido de la corriente.
De esta forma se consigue igualmente una acción giratoria sobre el rotor.
Existen otras posibilidades. Incluso hay motores que funcionan sin
apoyarse en campos magnéticos. No obstante, como regla general,
podemos afirmar que Los motores eléctricos convierten energía
eléctrica en energía mecánica gracias al campo magnético.
.
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BIBLIOGRAFÍA
Feynman, R. (1974). Feynman lectures on Physics Volume 2. Addison Wesley Longman.
Marcelo Alonso, E. J. (1976). Física. Fondo Educativo Interamericano.
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